（通信与信息系统专业论文）基于arm处理器的数字化远程图像监控系统.pdf

摘要 随着通信科技的日益发展，新应用层出不穷。数字化远程图像监 控系统以它不可抵挡的优势已经被广泛应用于交通、能源、公安、电 信、军事等部门。 本文提出了一种基于嵌入式应用系统的数字化远程图像监控系统 方案，并使用a r m 处理器和f p g a 技术给出了硬件的参考设计，在本 文的基础上可以开发出可实际应用的低成本高质量远程图像监控系 统。 本文主要从硬件系统实现的角度，详细介绍了数字化远程图像监 控系统各组成部分的硬件原理与相关调试软件的问题，力便以后的进 行? 次开发。本文还简要介绍了应用于本系统中的j p e g 图像压缩算 法，最后指出了进步改进的方向。 关键词：远程图像监控系统嵌入式系统a r mf p g aj p e g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，n e wa p p l i c a t i o n s a p p e a rm o r ea n dm o r ei nm o d e m t i m e w i t hs om a n yr e m a r k a b l ea d v a n t a g e s d i g i t a lr e m o t es u r v e i l l a n c es y s t e mh a sb e e nt a k e nb r o a du s ei nm a n y a r e a s s u c ha st r a f f i c ，e n e r g y ，p o l i c e ，c o m m u n i c a t i o na n dm i l i t a r ye t c t h i st h e s i sw i l lg i v ey o uar e f e r e n c ed e s i g no fd i g i t a lr e m o t es u r v e i l l a n c c s y s t e m ，w h i c hb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mu s ea na r mp r o c e s s o ra n df p g a t e c h n o l o g y w i t ht h er e f e r e n c ed e s i g n ，ah i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s t d i g i t a lr e m o t es u r v e i l l a n c es y s t e mc a r lb eb u i l de a s i l y h o wt ob u i l dah a r d w a r es y s t e mo fe m b e d d e da p p l i c a t i o n ，h a r d w a r e t h e o r ya n dd e b u g g i n gm e t h o d so fe a c hp a r ti nt h ep r o j e c tw i l lb ea n n o u n c e d p a r t i c u l a r l yi no r d e rt om a k et h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n te a s y t h e nt h e c o m p r e s s i o na l g o r i t h m i co f j p e gf o r m a tt h a tw a su s e di no u rp r o j e c tw i l lb e r e c o m m e n d e db r i e f l y a tt h ee n do ft h i sp a p e r ，a d v i c eo nh o wt op r o p e lt h e p r o j e c ti sg i v e n k e y w o r d s ：r e m o t es u r v e i l l a n c es y s t e me m b e d d e ds y s t e m a i u 订f p g a 疆- e g 引言 j j i 言 数字化远程图像监控是基于现代通讯科技的一种新应用，它正在越来越多地被广泛应 用于交通、能源、公安、电信、军事等部门，与传统的模拟监控系统相比：它的组网成本 大大降低、系统体积重量大大减小、运行维护更容易 本文提出一种基于嵌入式系统的“低成本数字化远程图像监控系统”实现力案，并使 j ja r m 处理器与f p g a 技术构建了实验样机，已经实现了低运行成本的劁像远程监控。 本义从舰件、软件两方面层层深入，既有理论，又有具体实现，总结了嵌入式系统开发的 帮个流程，引对开发过程中的问题与难点做了详细论述，力求让每一位读者剐以对嵌入式 系统的丌发以及数字化远程图像监控系统有深入的认识，甚至能够在本设计的软件、硬件 基础上进一步提高系统的实用性。 本课题设计中主要有以下几个创新点： 不使h 专用剀像压缩芯片，而是在a r m 处理器中靠软件实现，简化了馁件设计， 降低j ，系统成本，提高了系统灵活性； 2 使用大规模、高速f p g a 芯片作为a r m 的扩展，结合两者的优点，提高了系统处 理速度和可扩展能力； 3 构建了a r m 与f p g a 的开发平台，提出了嵌入式系统的低成本开发流程； 4 f p g a 系统与a r m 系统分离设计，方便系统调试和系统的进一步应用。 存木课题实验样机的基础上j 进一步采取如下改进，以达到实际产品要求： 1 使t 【 f p g a 为图像压缩处理加速； 2 编写简单的嵌入式操作系统程序，动态加载应用程序，加快其执行速度 3 完善m o d e m 握手协议，提高数据传输速率： 4 增加远程控制功能； 5 增加海量数据存储和宽带接口，拓展应用领域。 筇一章绪论 第一章绪论 2 本课题针对低设备成本、低运行成木 和超远距离的图像监控系统心朋提出 了解决方案，使刖由a r m 处理器与 f p g a 芯片构建的嵌入式系统，通过 公共电话网来实现同蛐范用内的仝数 字化远程图像监控。 第一章绪论 1 1 1 图像监控系统简介 第一节图像监控系统现状 图像监控系统是应用计算机与通讯技术实现对目标地区图像信息监视的系统，常应j l = | j f 交通、能源、公安、电信、军事等部门。随着图像监控系统的应用领域不断扩大，远程 劁像监控系统j 屹运m 生，它满足了远距离监控的要求。 传统的远程图像监控系统心用模拟摄像机获得日标地点的图像信息，通过专门架设的 同轴线传递到监控中心，经过视频模拟开关的连接显示在监视屏上，其优点是图像清晰连 续；缺点是架设专用线路成本高安昂，这一点限制了远程图像监控系统的广泛应用。随着 信息技术的发展数宁化越来越多的代替了传统的模拟系统，数字化使得远程剀像监控系统 不需要专门架设线路，应用现有通讯线路就可以实现低成本的信息传递。口j 被使用的通信 线婚有很多种，血：以太网、i s d n 、x d s l 、公共电话网、无线电话网等等，根据线路的 带宽不同远程图像监控系统的图像质量也有很大不同，本文提h j 的数字化远程图像监控系 统足基十公共电话网的窄带系统，特别适用于低分辨率、低成本、长距离的监控心川。 1 1 2 当6 口使用的技术、标准 数宁化远程图像监控系统足嵌入式系统的典型应用，涉及嵌入式系统技术和图像信息 的编码技术。特别是在图像信息的编码技术方面，为了提高图像监控系统的图像质量与通 用性，国际通信联盟( i t u ) 为图像信息的压缩编码制定了很多标准，新的编码技术被迅 速) , ij 1 j 到图像与视频压缩上。表一1 是常用的用于图像与视频压缩的标准：其中j p e g 是 | _ 1 前最常用的图像压缩格式之一，广泛应用于图像信息的传递与存储领域；h2 6 3 和l 2 6 4 是口前常削的视频压缩标准，可以在窄带信道上传递流畅的视频影像。本课题就j 衄川 j p e g 格式来进行图像压缩，如果想要进一步提高系统性能，口j 以考虑使用h 2 6 3 来进行视 频爪编。 标准名称应用领域压缩比 j p e g ( t 8 1 ) 连续色调图像压缩 5 0 1 0 0 ：1 m p e gv c d 3 0 5 0 ：1 m p e g 2 数字电视、d v d5 0 2 0 0 ：l m p e g 4 网络视频传输 1 0 0 3 0 0 ：l h 2 6 1 视频压缩i s d n 3 0 1 0 0 ：1 h2 6 3视频压缩p s t n 1 0 0 3 0 0 ：1 h2 6 4 视频压缩m o b i l ep h o n e 2 0 0 ：l 表一1 常用的图像与视频压缩标准 1 1 3 前已经成熟的系统介绍 h6 口已经有很多成熟的数字化图像监控系统，例如口本b r o a ds i 、r e a m 公司推出的。i s r - m 5 4 就是一种基f 以太网的数字化幽像监控装置，见图一一l 。它使刚嵌入式技术按照 m p e g4 标准，通过宽带以太网提供最大c i f 分辨率的图像监控功能，它使j i j 由m e g a c i in s 制造的型号为m a 5 5 1 3 2 的m p e g 一4 编码器，内置1 0b a s e 一1 、以太网接l j ，支持h t t p ，f t p ， s , i t p ，p p p 等协议，具备t y p e i i 型c f 卡扩展槽，兼容w n b 1 1 c f1 lm b p s 无线l ，a n 卡， 第一章绪论 p h s 卡，支持w i n d o w s9 8 m e 2 0 0 0 x p 系统，功率为1 0 w ，重约3 9 0 9 ，售价折合人民币将 近5 0 0 0 元。 幽一1t s r m s 4 网络录影机 n j 视电话足人们一直的梦想，它是数字化远程图像监控系统提高，实现了双向视频和 语音信息交换。目前的可视电话较多的是使用数据专线i s d n 作为信道，也有使用公共电 话网的成熟产品见图一2 。但是由于价格高昂，还不能广泛的进入寻常百姓家。相信在不 远的将来，随着科技的发展，嵌入式系统性能的不断提高：成本的不断下降，寻常百姓的 u _ 视通话梦想成为现实。 图一2 可视电话系统 4 第一章绪论 第二节课题的提出及意义 要实现数字化远程图像监控系统，可以有以下方案： 1 前端使用视频摄像机，输出模拟视频信号经过专用的视频解码数字化芯片，例如： p h i l i p s 公司的s a a 7 1 1 0 、s a a 7 1 1 3 和s a a 7 1 1 4 ；图像压缩采用专用的幽像压缩芯 片，例直：z o r a n 公司的m j p e g 压缩芯片r 3 6 0 6 0 或z a p e x 公司的m p e g l 压 绵芯片s z i5 1 0 ：压缩后的数据经过处理器打包经由公共电话网发送。 2 使川集成数字化视频采集模块，直接获得数字化影像信弓；图像压缩不使川专川爪 缩，l ，而是在高速处理器内部由压缩软件实现；最后打包经由公兆电话网发送。 方案一是目前大多数成熟系统使用的方案，它的优点是：前端直接对模拟视频信号 进行数字化，方便对原有模拟监控系统的改造；数据压缩使用专用芯片完成，町以大 大简化系统程序的复杂性，加快系统开发速度。缺点是：使用模拟摄像机、专用的视 频解码数字化芯片、专用的图像视频压缩芯片构建系统使得系统成本大大增加，而且 不能够灵活的使_ l 多种压缩算法来提高系统性能。适合于对原有模拟系统的数字化改 造，和单纯的、t 用领域。 水课题使用方案二，是完全针对低设备成本、低运行成本和超远距离的图像监控系 统应用提出的解决方案，前端使用便宜的一体化高集成数字化视频采集模块，简化了 系统前端的设计，大大降低了前端成本；信号处理使用由高速、高性能的a r m 处理器 与f p g a 芯片构建的嵌入式系统，通过软件来实现图像压缩；最后经由公兆电话网来 。史现同城范俐内的全数字化远程图像监控。在降低系统成木的同时，提高了系统的灵 活一盹。 另外木课题的方案不仅适合于数字化图像监控系统的实际戍刷，而且它高度的灵活 性t o 臼土性更自u 适合。，二教学与科研部门对嵌入式系统、町编程逻辑系统以及语音、幽 像和视频信号处理的学习与研究。 本课题的研究目的不仅仅是完成对有广泛应用前景的远距离的图像监控系统的丌 发，还从嵌入式系统研究的角度，以远距离的图像监控系统作为实例，对嵌入式系统 的丌发提出了全套低成本解决方案，构建了完整的嵌入式系统丌发平台。 5 筇? 章a r m 、p 台的设i 第二章a r m 平台的设计 6 嵌入式系统是以成用为中心、以训算 机技术为基础、软硬件町裁减，适麻 应削系统对功能、口j 靠性、成本、体 积、功耗等综合性严格要求的计算机 系统。它主要由嵌入式处理器、相关 支撑硬件、嵌入式操作系统及，r 层府 片j 软件系统等组成，它是及软、硬件 于一体的可独立工作的系统。基于 a r m 体系结构的嵌入式处理器是日的 应用最为广泛的3 2 位处理器，木课题 就应用a r m 处理器束构建嵌入式系 统应用平台。 第章a r m 平台的设 2 1 1a r m 公司简介 第一节a r m 体系结构简介 a r m ( a d v a n c e dr 1 s cm a c h i n e s ) 公司是微处理器行业的一家知名企业，它十1 9 9 0 年 1 1 月在英国剑桥成立，1 9 9 8 年4 月上市( l s e ：a r m ，n a s d a q ：a r m h y ) 。a r m 公 司自正式成立以来，在3 2 位r i s c f r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r c p u 开发领域不断取 得突破，其结构已经从v 3 发展到v 7 。由于a r m 公司一直以i p ( i n t e l l i g e n c ep r o p e r t y ) 提供 者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加上其设 的b 核蜞有功耗低、成本低等显著优点，冈此获得众多的半导体厂家和整机厂商的火j 支持，在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有7 5 以上的3 2 位r 1 s c 盼八产。诮市场。在低功耗、低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位。现在设 = | 、 生产a r m 芯片的围际大公司已经超过5 0 多家，国内中兴通讯和华为通讯等公司也已经购 买a r m 公司的芯核用于通讯专用芯片的设计。日前全球超过8 5 的无线通信设备采川了 a r m 技术。 日l 河非常流行的a r m 芯核有a r m 7 t d m i ，s t r o n g a r ma r m 7 2 0 t ，a r m 9 t d m i ， a r m 9 2 2t ，a r m 9 4 0 t ，a r m 9 4 6 t ，a r m 9 6 6 t ，a r m l 0 t d m i 等。自v 5 以后，a r m 公 司提供p i c c o l od s p 的芯核给芯片设计者，用于设计a r m + d s p 的s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 结构的一k 此外，a r m 芯片还获得了许多实时操作系统( r e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t c n l ) 供 j 、i 向的支持，比较知名的有：w i n d o w s c e 、l i n u x 、p s o s 、v x w o r k s 、n u c l e u s 、e p o c 、 u c o s 、b e o s 等。 2 1 2a r m 体系的发展现状 a r m 提供一系列内核、体系结构、微处理器和系统芯片方案，图二1 显示了a r m 公 司给出的a r m 核心现在的发展路线图。 1 c p u 内核 a r m 7 ：这是a r m 公司授权用户最多的一项产品，将a r m 7 指令同t h u m b 扩展组合 在起，以减少内存占用量和系统成本。同时，它还利用e m b e d d e d l c e ( 嵌入式i c e ) 调 试技术来简化系统设计，并用一个d s p 增强扩展来改进性能。该产品的典型用途是数字蜂 窝电话和硬盘驱动器。 a r m 9 ：使_ 【 ：ja r m 9 t d m i 处理器内核，采用5 级流水线，同时配备t h u m b 扩展、 e m b e d d e d l c e 调试技术和h a r v a r d 总线。在生产工艺相同的情况下，性能町达a r m 7 的两 倍之多。常川十下代无线设备、数字消费品和通信系统。 a r m 9 e ：使 h 啦一处理器内核提供了微控制器、d s p 、j a v a 麻j 系统的解决方案。速 艘丛i j3 0 0 m i p s ，提供了增强的d s p 处理能力，其中的a r m 9 2 6 e j s 还包含了j a z e l l e 技 术口j 以通过硬件直接运行j a v a 代码，提高系统运行j a v a 代码的性能。应川于下一代无线 段备、成像设备、工业控制和网络设备。 a r m l 0 e ：采用新的节能模式，提供了6 4 位的读写体系，支持包括向量操作的满足 i e e e 7 5 4 的浮点运算协处理器。速度达到4 0 0 m i p s ，在实时控制与_ 兰维剧像处卿时日j 达到 6 5 0 m f l o p s 。 s e c u r c o r c ：提供基于高性能3 2 位r j s c 技术的安全解决方案。采用软内核技术，以提 供最大限度的灵活性，以及防止外部对其进行扫描探测。应用于电了商务、电子银行和认 证系统。 2 体系扩展 t h u m b ( t ) ：以1 6 位系统成本，提供3 2 位r i s c 性能。 长乘法指令( m ) ：增加两条用于长乘法操作的a r m 指令。 7 第二章a r m 平台的改计 增强d s p 指令( e ) ：包含一些附加指令，增强对一些典型d s p 算法的处理性能。 j a v a 加速器j a z e l l e ( j ) ：提供了硬件的j a v a 加速功能，使j a v a 代码运行速度提高8 倍，向功耗降低8 0 。 a r m 媒体功能扩展( s i m d ) ：为包括音频、视频处理在内的应用系统提供了优化功 能，使音频、视频处理性能提高4 倍。 3 微处理器 a r m 7 1 0 系列( 包括a r m 7 1 0 、a r m 7 1 0 t 、a r m 7 2 0 t 和a r m 7 4 0 t ) ： 低价、低能耗、封装形式常规的系统微处理器，配有高速缓存( c a c h e ) 、内存管 理、写缓冲和支持j t a g 标准。广泛应用于手持设各、数据通信和消费多媒体产 品。 a r m 9 4 0 1 1 、9 2 0 t 系列： 低价、低功耗、高性能系列微处理器，配有c a c h e 、内存管理和写缓冲。j 训_ _ j 十商 级引擎管理、保安系统、顶置盒、便携计算机和高档打印机。 s t r o n g a r m ： 高性能、同时满足常规应用需要的一种微处理器技术，与d e c 联合研制，后米授 权给i n t e l 。s a l l 0 处理器、s a l l l 0 p d a 系统芯片和s a l5 0 0 多媒体处理；i l , j l 均采 川了这一技术。 a r m 7 5 0 0 和a r m 7 5 0 0 f e ： 高度集成的单j 占片r i s c 讣算机，基于一个缓存式a r m 7 的3 2 位内核，拥有内容 和1 1 3 控制器、3 个d m a 通道、片上视频控制器和调色板以及立体声端l ； a r m 7 5 0 0 f e 则增加了一个浮点运算单元以及对e d od r a m 的支持，特别适合电 视顶置盒和网络计算机。 图二一1a r m 核心现在的发展路线幽 4 主要a r m 出片供虑商 日前r l j 以提供a r m 芯片的著名欧美半导体公司有：英特尔( i n t e l ) 、德州仪器 ( r i ) 、= 星半导体( s a m s u n g ) 、摩托罗拉( m o t o r o l a ) 、飞利浦半导体( p h i l i p s ) 、意 浊半导体( s t ) 、亿恒半导体、科胜讯、a d i 公司、安捷伦、高通公司、a t m e l 、 i n t e r s i l 、a l c a t e l ，a l t e r a ，c i r r u sl o g i c 、l i n k u p 、p a r t h u s ，l s il o g i c ，m i c r o n a s ，s i l i c o n w a v e 、v i r a t a , p o r t a l p l a y e ri n c 、n e t s i l i c o n 、p a r t h u s 。 8 第。亭a r mt t 台的设i l j 木的许多著名半导体公司如东芝、三菱半导体、爱普生、富i 一通半导体、松下半导 体等公司较早期都大力投入开发了自主的3 2 位c p u 结构，但现在都转向购买a r m 公司 的芯核进行新产品设计。由于它们购买a r m 版权较晚，现在还没有u j 以销售的a r m ，出 片，而o k i 、n e c 、a k m 、o a k 、s h a r p 、s a n y o 、s o n y 、r o h m 等日本半导体公司目前都 已经批量生产了a r m 芯片。 扑田的现代半导体公司也生产提供a r v l 芯片。另外，国外也有很多设备i i j 0 造商采用 a r m 公司的一出核设计自己的专用芯片，如美国的i b m 、3 c o m 和新加坡的创新科技等。 我田台湾地区可以提供a r m 芯片的公司有台积电、台联电、华邦电子等。其它己购买 a r m ，出核，正在设计自主版权专 = 3 芯片的大陆公司有华为通讯和叶i 兴通讯等。 2 1 3a r m 选型 由十a r m 芯片有多达十几种的芯核结构，7 0 多家芯片生产厂家，以及千变万化的内 部功能配簧组合，给开发人员在选择方案时带来一定的困难，所以必须以应州为中心，根 据实际系统功能、应用环境和开发条件进行选择。本课题要求建立低成本的幽像数据采 集、实叫压缩与远程传送系统，而且要求容易进行实验室环境下的开发与调试：另外考虑 到以后的扩展要求，还需要具备内存管理单元( m m u ) 与音频接口。 c i r r u s l o g i c 公司的e p 7 3 1 2 正适合我们的要求。它是基于a r m 7 2 0 t 内核的嵌入式微处 耻器，运行于7 4 m h z 时其性能与1 0 0 m h z 的i n t e l p e n t i u m 芯片基本相当，且功耗很低，在 7 4 m h z t 作频率下，功耗9 0 m w ，具有m m u 、音频接口及l c d 控制器。 2 1 4a r m 7 t d l v i i 体系结构简介 1 t d m i 的含义 l d m i 址政体系结构中4 个主要特征的英文名称缩写，具体含义如表二1 a r m 7 t d m l 是在a r m 7t h u m b 内核基础上发展而来的，下面分别介绍a r m 7t h u m b 的内核结构和e m b e d d e d l c e 扩展逻辑的功能。 t h u m b 指令集 t 利用1 6 位宽度的指令结构达到3 2 位指令集才能达到的高性能 d e b u g 专门开发调试扩展逻辑 d 一种专门设计的用于对应用系统进行调试的扩展逻辑，它是通过在核 心逻辑周同添加j t a g 支持逻辑和t a p 控制器实现的 m u l t i p l i e r 硬件乘法器 m 为进行复杂运算加入的专用3 2 位乘法器 e m b e d d e d l c e 嵌入式调试器支持逻辑 i 与外部软件相配合，实现实时在线调试的功能，降低了开发费川 表二1t d m i 的含义 2 a r m 7 t d m 内核 a r m 7t d m 内核内部结构如图二2 r 面具体说明其结构和工作原理： 流水线结构 指令执行分为取指、译码和执行三个阶段。在正常运行模式1 f ，一条指令执行叫，它 后续指令会分别被译码和从存储器中预取到c p u 中。指令计数器p c 指向即将被读取 的指令而小足正在被执行的指令，就是说p c 相对于当前指令有两个指令地址的超前。 存储器访问 9 第二章a r m 平台的设i a r m 7t d m 内核采用冯诺伊曼结构，指令和数据位于统一3 2 位总线上。只有 l o a d 、s t o r e 和s w a p 指令可以访问存储器。数据可以以8 位( 字节) 、1 6 位( 半字 长) 、3 2 位( 全字长) 格式存储，全字访问必须对齐4 字节的边界进行，同样半字访 问必须对齐2 字节的边界。 指令集 般的微处理器的指令和数据宽度是相等的，而a r m 7t d m 支持两种指令集：3 2 位的a r m 指令集和1 6 位的t h u m b 指令集。 3 2 位指令集对于1 6 位指令集具有更高的性能，能够寻址更大的地址空间：而】6 位指 令集有着更高的代码密度，相对节省存储器资源。t h u m b 指令集作为一种在3 2 位体系 结构基础之上的1 6 位指令集有以下优点； 相对于一般的1 6 位指令集有着更高的性能 干目对于一般的3 2 位指令集有着更高的代码密度 t h u m b 达到的卓越代码效率意味着对存储器容量需求的降低，使得利用1 6 位宽度 的存储器可以达到3 2 位存储器才能达到的高性能。t h u m b 较好的处理了r i s c 处理器 常见的代码大小问题。系统设计者可以充分利用3 2 位r i s c 内核提供的高性能和大寻 址范围。这使得应用开发可以提高功能和性能而保持有竞争性的系统开销和功耗。 b 岱 o l 图二一2a r m 7t d m 内核内部结构 1 0 瓣篓豢黔第黼擎嚣融飘 第二章a r m 平台的设计 核一1 1 , 3 2 作模式 a r m 7t d m 支持7 种工作模式，如表二一2 t 作模式模式说明 u s e r ( u s r ) 正常的用户程序执行模式 f i q ( f i q ) 用于支持数据传输和通道处理 i r q ( i r q ) 用于一般的中断处理 s u p e r v i s o r ( s v c ) 操作系统运行的保护模式 a b o r t ( a b t ) 当指令或数据预取发生中断刚进入该模式 s y s t e m ( s y s ) 有特权的j = | ： 户模式，为操作系统服务 u n d e f i n e d ( u n d ) 支持软件仿真或硬件的协处理器的模式 表二2a r m 7t d m 所支持的7 种工作模式 变更i 作模式可以由软件控制，也可以是由于外部时间或中断触发的。大部分j _ 户 程序运行十u s e r 模式。 寄存器区 a r m 7f d m 共有3 7 个内部寄存器，包括3 1 个3 2 位通用寄存器和6 个状态寄存 器。在不同的处理器状态和不同的运行模式下，能够被访问的寄存器是不同的。在唰 - - h , j 刻，只有1 6 个通用寄存器和2 个状态寄存器是用户可见的。图二3 是a r m 7 t d m 的内部寄存器。 r o r 】2 ： r 13 ( s p ) r 1 4 ( 1 r ) r 15 ( d c ) c p s r ： s p s r ： 图二3a r m 7t d m 的内部寄存器 3 2 位通用寄存器 堆栈指针 连接寄存器 程序指针 当前程序状态寄存器( 包括状态码和运行模式) 保存的程序状态寄存器( 当异常发生时保存c p s r 的值) 第一章a r m 、r 台的设计 a m b a 片内系统总线 全部a r m 7t d m 系列处理器被设计为用于较大；啬片的设计，它支持a m b a 片内 系统总线，各种外围设备和大量的软件开发工具、实验板、仿真模型和仿真t 具等 3 2 位桶型移位寄存器，使得操作数需要移位的指令也能在单周期完成。 3 2 位寻址空间4 g b 线性地址空间 3 2 位x 8 位的硬件乘法器 3 e m b e d d e d l c e 扩展逻辑 a r m 7t d m i 是在a r m 7t d m 核的基础上增加e m b e d d e d i c e 扩展逻辑实现的，如图 _ 一4 。e m b e d d e d t c e 内嵌逻辑提供了一个片上集成的对器件进行开发调试的工具，利用它 “j 以使目标系统与开发系统之间相互交换信息。外部程序或设备可以通过j t a g 接u 操作 e m b e d d e d l c e ，用以访问内部资源、设置程序或数据断点、读取c p u 内部状态等等。这些 功能在a r m 处理器集成到大芯片内部时仍然有效。 r 0 e o u t o r a g 自0 l ，r 1 n o p c n r w m 寡【1 棚 【劓：q d c 劓：唾 叫h 栅 2 1 5a r m 7 2 0 t 内核简介 t c kt h 峙n l f k s tt叫tbo 图- - - 4a r m 7t d m i 内部结构幽 a r m 7 2 0 1 1 内核的内核结构虫图二，5 ，它足在a r m 7 t d m i 的基础上发展增强而成的。 a r m 7 2 0 t 处理器含有如下功能模块： 1 a r m 7 t d m ic p u 内核： 1 2 第一章a r m 平台的设计 该c p u 核支持t h u m b 指令集、核调试、增强的乘法器、j t a g 以及嵌入式i c e 单 兀，它的系统时钟速率町编程为1 8 m h z 、3 7 m h z 、4 9 m h z 、7 4 m h z ； 2 内存管理单元( m m u ) 与a r m 7 1 0 核兼容： 实现了对w i n d o w s c e 和l i n u x 的支持。该内存管理单元提供了地址转换和一个自 6 4 个项的转换旁路缓冲器； 3 提供t8 k b y t e s 的单一指令和数据高速缓冲存储器； 4 写缓冲器。 a m b ab u s i n t e f f a c e 图二5a r m 7 2 0 t 内核的内核结构 1 3 j t a gd e b u g i n t e r f a c e e t mi n t e r f a o e c , o p r o c 冶s s o f i n t e r f a c 君 第章a r m 甲台的设i 2 2 1e p 7 3 1 2 的简介 第二节a r m 平台及其系统组成 e p 7 3 1 2 足c i r r u s l o g i c 公司生产的基于a r m 7 2 0 t 内核的嵌入式微处理器，运行十 7 4 m h z 时其性能与1 0 0 m h z 的i n t e lp e n t i u m 芯片基本相当，且功耗很低，在7 4 m h z 工作 频率下，功耗9 0 m w 。它由a r m 7 2 0 t 内核加外围扩展逻辑构成。图二6 是e p 7 3 1 2 的内 部结构框幽。 图二6e p 7 3 1 2 的内部结构框图 + l z 具有如下的特性： a r m 7 2 0 t 处理器 超低功耗 9 0 r o w 7 4 m h z o3 r o w 待机模式 4 8 k 字节片上s r a m l c d 控制器支持单色与彩色s t nl c d 完整的j t a g 边界扫描逻辑和e m b e d d e d l c e 支持 先进的外设按u 2 个3 2 位s d r a m 接口 8 位、1 6 位、3 2 位s r a m f l a s h r o m 接l | 数字音频按l j 2 个同步串行接l j 8 x 8 键盘扫描接u 2 7 个通用i o 引脚 片上外设 2 个与1 6 5 5 0 兼容的u a r t 1 4 第二章a r m 平台的设计 i r d a 接u 2 个p w m 控制器 实时时钟 2 个通用1 6 位定时器 中断控制器 启动r o m 我们之所以选用e p 7 3 1 2 处理器，主要是看中它的高速a r m 7 2 0 t 核心、丰富的外设接 u 与启动r o m 的设置。e p 7 3 1 2 可以被配置为从外部的r o m 启动的外启动方式或从片i ： r o m 启动的内启动方式。 外启动山试下，a r m 处理器从外部程序存储器( 一般是f l a s h 存储器) 取指令执行 相、v 的、v 用： 内巾动时，a r m 处理器运行片上启动r o m 中固化的一个1 2 8 字节启动程序，完成器 什仂始化，配置串 j1 以9 6 0 0 b p s 速率接收2 0 4 8 字节用户程序存储于片内s r a m 中，然 后跳转到片内s r a m 起始处开始执行刚下载的2 k 字节用户程序，这为进一步的调试、代 码f 载、外启动f l a s h 存储器编程提供途径，非常适用于嵌入式系统的实验与歼发。 e p 7 3 1 2 有强大的系统扩展能力，表二3 ，表二4 分别是内启动方式与外启动方式r 的 地址空间分配，图二7 显示了由e p 7 3 1 2 构成的最大系统框图。 地址范围片选 0 0 0 0 0 0 0 0 0 f f f f f f f c s 7 】( 内部) 1 0 0 0 0 0 0 0 1 f f f f f f f c s 6 ( 内部) 2 0 0 0 0 0 0 0 2 f f f f f f f n c s f 5 1 3 0 0 0 0 0 0 0 3 f f f f f f f n c s 4 4 0 0 0 0 0 0 0 4 f f f f f f f n c s f 3 1 5 0 0 0 0 0 0 0 5 f f f f f f fn c s 2 6 0 0 0 0 0 0 0 6 f f f f f f fn c s 1 】 7 0 0 0 0 0 0 0 7 f f f f f f fn c s 0 表二3e p 7 3 1 2 内启动方式下的地址空间分配 地址描述容量 0 x f 0 0 00 0 0 0 保留2 5 6 m 字节 0 x e 0 0 0 0 0 0 0 保留2 5 6 m 子w o x d 0 0 00 0 0 0 保留 2 5 6 m 子可 0 x c 0 0 0 0 0 0 0s d r a m 6 4 m 字节 o x s 0 0 0 4 0 0 0 没用1 g 字节 o x 8 0 0 00 0 0 0 内部寄存器 1 6 k 字节 0 x 7 0 0 00 0 0 0 启动r o m ( n c s 7 】) 1 2 8 字节 0 x 6 0 0 0 0 0 0 0 s r a m ( n c s 6 ) 4 8 4 0 0 字节 0 x 5 0 0 0 0 0 0 0 扩展( n c s 5 ) 2 5 6 m i f - 节 o x 4 0 0 0 0 0 0 0 扩展( n c s 4 】) 2 5 6 m - y - 哥 o x 3 0 0 0 0 0 0 0 扩展( n c s 3 ) 2 5 6 m 字节 0 x 2 0 0 0 0 0 0 0 扩展( n c s 2 ) 2 5 6 m - t - 节 0 x10 0 0 0 0 0 0r o m b a n k l ( n c s 1 ) 2 5 6 m 子可 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0r o mb a n k 0 ( n c s 0 ) 2 5 6 m 字节 表二。4e p 7 3 1 2 外启动方式下的地址空间分配 第二章a r m 平台的设计 2 2 2e p 7 3 1 2 的应用 图二7e p 7 3 1 2 构成的最大系统框图 1 寄存器设置 要正确麻用e p 7 3 1 2 处理器必须首先对它的系统寄存器进行正确配置。，下面简要介绍 下e p 7 31 2 的寄存器设置。表二5 是e p 7 31 2 的系统寄存器列表。 地址名称类型位数描述 o x 8 0 0 0 ol0 0 s y s c o n l读写3 2 系统控制寄存器1 0 x 8 0 0 0 1 1 0 0s y s c o n 2读写1 6 系统控制寄存器2 0 x 8 0 0 0 2 2 0 0s y s c o n 3 读写 1 6 系统控制寄存器3 0 x 8 0 0 00 1 4 0s y s f l g l 只读 3 2 系统状态标志寄存器1 0 x 8 0 0 01 1 4 0s y s f l g 2 只读 3 2 系统状态标志寄存器2 0 x 8 0 0 0 0 5 c os t f c l r 读写清除启动结果标志 0 x 8 0 0 0 2 4 4 0 u n i q i d只读 3 2 3 2 位唯一芯片标志 o x 8 0 0 0 2 7 0 0r a n d i d o 只读 3 2 1 2 8 位随机怖刁i3 l 0 位 0 x 8 0 0 0 2 7 0 4r a n d i d l只读3 2 1 2 8 位随机标示 6 3 - 3 2 位 0 x 8 0 0 0 2 7 0 8r a n d l d 2 只读 3 2 1 2 8 位随机称不9 5 6 4 位 ( ) x 8 0 0 0 2 7 0 cr a n d i d 3只读3 2 1 2 8 位随机标示1 2 7 9 6 位 表二一5e p 7 31 2 的系统寄存器列表 1 6 第二章a r m 平台的设计 系统寄存器中的每一位或几位都对应系统功能的控制、状态等信息，例如： s y s c o n l 中的u a r t l e n 、l c d e n 位分别控制异步串口l 与l c d 显示的使能； s y s c o n 2 中的s d r a m z 设置s d r a m 存储器的位宽： s y s c o n 3 中的c l k c t l 州来在1 8 m h z 、3 7 m h z 、4 9 m h z 和7 4 m i l z 中选择一种作 为系统工作频率 + ，系统运行紧密相关的其他寄存器见表二一6 地址 名称类型位数 描述 0 x 8 0 0 00 2 4 0i n t s r l 只读 3 2 中断状态1 0 x 8 0 0 0 1 2 4 0i n t s r 2 只读 3 2 中断状态2 0 x 8 0 0 0 2 2 4 0 i n t s r 3 只读 3 2 中断状态3 0 x 8 0 0 00 2 8 0l n t m r l 读写 3 2 中断屏蔽l 0 x 8 0 0 01 2 8 0i n t m r 2 读写 3 2 中断屏蔽2 0 x 8 0 0 0 2 2 8 0矾t m r 3 读写 3 2 中断屏蔽3 0 x 8 0 0 0 2 3 0 0s d c o n f 读写 1 6s d r a m 控制寄存器 0 x 8 0 0 02 3 4 0s d r f p r 读写 1 6 s d r a m 刷新周期寄存器 0 x 8 0 0 00 1 8 0m e m c f g l读写3 2 存储器配置寄存器1 0 x 8 0 0 00 1 c 0m 匪m c f g 2读写3 2 存储器配置寄存器2 0 x 8 0 0 00 2 c ol c d c o n 读写 3 2 l c d 控制寄存器 0 x 8 0 0 00 5 8 0p a l l s w 读写 3 2 色盘寄存器1 0 x 8 0 0 00 5 4 0p a i 。m s w 读写 3 2 色盘寄存器2 0 x 8 0 0 0 10 0 0f b a d d r 读写 4 显示缓冲区起始地址 0 x 8 0 0 0 0 4 8 0u a r t d r l 读写 1 6 异步串口1 数据寄存器 0 x 8 0 0 01 4 8 0u a r t c r l 读写 3 2 异步串口1 控制寄存器 ( 】x 8 0 0 00 4 c 0u a r t d r 2 读写 1 6 异步串u2 数据寄存器 0 x 8 0 0 01 4 c ou a r t c r 2 读写 3 2 异步串l 2 控制寄存器 表二6e p 7 31 2 的其他重要寄存器列表 对它们进行正确设置，就可以启用s d r a m 、l c d 或者串行通讯u 。在后面的程序例了里 有对这些寄存器的设置参考，各寄存器的具体定义可以参考“e p 7 3 x x 用户手朋”这里就 小阿馈述。 2 中断控制器与堆栈设置 耍i 【：我们的心用程序能够正确运行，还要对e p 7 3 1 2 的中断控制器和堆栈设置有深入了 解。中断与堆栈设置和a r m 体系结构紧密相关，a r m 是一种支持多任务操作的系统内 核，内部的结构完全适应多任务应用。 a r m 内核支持7 种中断，不同的中断处于不同的处理模式( 见表二2 ) ，具有不同的 优先级，而且每个中断都有固定的中断入口地址。当一个中断发生时，相成的r 1 4 ( i r ) 存储中